帥 銘 鄭茂盛

(西北大學(xué) a. 物理學(xué)院；b. 化工學(xué)院)

變形量對(duì)A3鋼電化學(xué)性能的影響

帥 銘*鄭茂盛b

(西北大學(xué) a. 物理學(xué)院；b. 化工學(xué)院)

在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)A3鋼進(jìn)行單向拉伸，通過(guò)力控拉伸和位移控制拉伸得到了應(yīng)變量分別為0.07%、6.00%、11.00%、24.00%的試樣。通過(guò)動(dòng)電位極化法和電化學(xué)阻抗圖譜測(cè)試了不同變形量的A3鋼在0.01mol/L的NaCl溶液中的抗腐蝕性能。結(jié)果表明:A3鋼的自腐蝕電位隨變形量的增加會(huì)發(fā)生負(fù)移，并且自腐蝕電流密度值也隨變形量的增加而變大，說(shuō)明變形會(huì)降低A3鋼的抗腐蝕性能，并且隨著變形量的增加，其腐蝕速率也會(huì)相應(yīng)加快；在拉伸變形初期，A3鋼的電化學(xué)阻抗值下降的尤為明顯，并且隨變形量的增加，試樣發(fā)生腐蝕的程度也越來(lái)越嚴(yán)重。

A3鋼 變形量 動(dòng)電位極化 電化學(xué)阻抗

塑性變形是材料成型和加工生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝過(guò)程。設(shè)備在使用過(guò)程中，也會(huì)因?yàn)槌袎哼^(guò)大而發(fā)生塑性變形。而發(fā)生塑性變形后的鋼材很多性能都會(huì)有所改變，目前研究可知，材料經(jīng)歷塑性變形后，不僅會(huì)造成加工硬化、塑性降低，而且耐腐蝕性能也會(huì)減弱[1～6]。深入分析材料性能隨變形量的變化，對(duì)于其合理使用和優(yōu)化生產(chǎn)工藝極為必要。因Q235碳鋼具有高強(qiáng)度、高剛度且成本低等優(yōu)點(diǎn)，可用以制作鋼筋或建造廠房房架、高壓輸電鐵塔、橋梁、車輛、鍋爐、容器及船舶等，也可用于制造對(duì)性能要求不太高的機(jī)械零件[7]，同時(shí)還常被用于制造抗腐蝕性較好的雙金屬?gòu)?fù)合管的基管。在利用擠壓成型方法制備雙金屬?gòu)?fù)合管時(shí)，除了襯管會(huì)產(chǎn)生塑性變形外，作為基管的Q235碳鋼也會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形。為了研究塑性變形對(duì)材料電化學(xué)性能的影響，筆者利用拉伸試驗(yàn)機(jī)將Q235碳鋼試樣拉伸到不同變形量，然后用動(dòng)電位極化法、電化學(xué)阻抗法和金相顯微鏡來(lái)分析不同變形量對(duì)抗腐蝕性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為Q235-A3碳鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。拉伸試樣按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2002制備，試樣總長(zhǎng)210mm，直徑10mm，平行長(zhǎng)度120mm。試樣分為5組，分別為：原始試樣、應(yīng)變0.07%、應(yīng)變6.00%、應(yīng)變11.00%和應(yīng)變24.00%試樣，為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組又包含3個(gè)等條件試樣，并對(duì)全部試樣用數(shù)字1～15進(jìn)行編號(hào)；再將拉伸好的試樣用線切割機(jī)切成高度為10mm的圓柱作為工作電極，選取露出來(lái)的一個(gè)底面為工作面，在另一底面焊上Cu導(dǎo)線，并用環(huán)氧樹(shù)脂密封于PVC管內(nèi)。工作面用SiC水砂紙逐級(jí)打磨(選用3～5級(jí)水砂紙，最終用2 000#水砂紙)，拋光水洗后用無(wú)水乙醇除油、去離子水清洗后吹干待用。測(cè)試溶液為0.01mol/L的NaCl溶液，由分析純化學(xué)試劑和去離子水配置而成。試驗(yàn)室溫度為室溫(24±1)℃。

表1 Q235-A3碳鋼化學(xué)成分 wt%

試樣拉伸由SANS電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)完成，電化學(xué)測(cè)試由PARSTAT2273型電化學(xué)工作站完成，采用三電極體系，輔助電極選用Pt電極，參比電極選用飽和甘汞電極(SCE)。測(cè)試前先將工作電極在-1.1V(vs.SCE)下極化30min，以除去試樣表面的氧化膜；動(dòng)電位極化曲線測(cè)量范圍為-0.5～0.9V(vs.SCE)，掃描速率為2mV/s，EIS譜測(cè)試頻率范圍為10mHz～100kHz，測(cè)量信號(hào)為幅值10mV正弦波。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1動(dòng)電位極化

將不同變形量的A3鋼試樣在濃度為0.01mol/L的NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線進(jìn)行Tafel擬合，擬合結(jié)果如圖1和表2所示。其中試樣1～3為原始試樣，應(yīng)變量為0%；試樣4～6為彈性范圍內(nèi)的拉伸試樣，應(yīng)變大約0.07%；試樣7～9的拉伸變形量為6.00%；試樣10～12的拉伸變形量為11.00%；試樣13～15的拉伸變形量為24.00%。

圖1 A3鋼自腐蝕電位隨變形量的變化關(guān)系

表2 極化曲線的Tafel擬合結(jié)果

由圖1和表2可知，A3鋼經(jīng)過(guò)一定的彈性變形后，自腐蝕電位稍微發(fā)生了正移，自腐蝕電流密度Icorr也稍微變??；一般材料的自腐蝕電位越正，耐腐蝕性能就越高，自腐蝕電流密度與材料腐蝕速率V的關(guān)系如下[8]：

式中A——原子量；

D——金屬材料密度；

n——得失電子數(shù)；

V——材料腐蝕速率。

由此可見(jiàn)，一定的彈性拉伸未對(duì)A3鋼的耐腐蝕性能產(chǎn)生影響。

A3鋼在進(jìn)入塑性變形后，其自腐蝕電位又發(fā)生了明顯的負(fù)移，自腐蝕電流密度也相應(yīng)變大，并且隨著變形量的增加，試樣的自腐蝕電位變得更負(fù)，自腐蝕電流密度變得更大，說(shuō)明變形量的增加會(huì)導(dǎo)致A3鋼抗腐蝕性能降低，同時(shí)也加快了材料的腐蝕速率。

2.2電化學(xué)阻抗測(cè)試

圖2為不同變形量的A3鋼試樣在濃度為0.01mol/L的NaCl溶液中的阻抗測(cè)試結(jié)果(Nyquist曲線)。由圖可以看出，所有試樣的Nyquist曲線均由單一的圓弧曲線構(gòu)成，表明試樣的腐蝕控制步驟均為電化學(xué)反應(yīng)；同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)：圖2中圓弧曲線的半徑隨著試樣變形量的增加而逐漸變小，圖中圓弧半徑的大小是材料耐腐蝕性能強(qiáng)弱的表征，一般來(lái)說(shuō)，圓弧半徑越大，耐腐蝕性能就越好[9～11]，可見(jiàn)變形量的增加導(dǎo)致A3鋼試樣的抗腐蝕性能降低，并且，變形量越大耐腐蝕性能就越差，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是材料經(jīng)過(guò)塑性拉伸變形后，內(nèi)部的位錯(cuò)缺陷會(huì)相應(yīng)增加，位錯(cuò)之間的相互作用使位錯(cuò)密度急劇增加，導(dǎo)致材料加工硬化[12]，降低了材料的抗腐蝕性能。

圖2 不同變形量的A3鋼試樣的Nyquist曲線

根據(jù)阻抗圖譜的特點(diǎn)，可以得出A3鋼試樣的腐蝕等效電路圖(圖3)。

圖3 A3鋼試樣的腐蝕等效電路

圖中，Rs表示溶液電阻，Rt表示電荷轉(zhuǎn)移電阻，CPE為雙電層電容?；趶浬⑿?yīng)，在等效電路中用CPE常相位角元件代替純電容元件[13]，則CPE的阻抗Z′為：

等效電路的總阻抗Z可表示為：

其中，Y0和n為CPE的兩個(gè)參數(shù)，Y0是有量綱的，和電容的量綱一樣；n為彌散指數(shù)，是無(wú)量綱的，取值范圍為區(qū)間(0，1)。

圖4和表3是根據(jù)圖3所示的等效電路圖利用ZSimp Win軟件得到的各個(gè)參數(shù)的擬合結(jié)果，由表3可以看出，彌散指數(shù)n一直保持在0.75左右。經(jīng)過(guò)一定的彈性拉伸變形后，A3鋼試樣的電荷轉(zhuǎn)移電阻會(huì)略微增大，表明電荷在電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中遇到的阻力變大，從而使A3鋼試樣的耐腐蝕性能增強(qiáng)；隨著試樣經(jīng)過(guò)不同程度的塑性拉伸變形，電荷轉(zhuǎn)移電阻也變得越來(lái)越小，表明材料的抗腐蝕性能會(huì)隨著變形量的增加而越來(lái)越差，由圖4還可以看出，在拉伸變形初期，A3鋼試樣的電荷轉(zhuǎn)移電阻下降的尤為明顯。此結(jié)果與利用動(dòng)電位極化測(cè)得的Tafel擬合結(jié)果相一致。

圖4 A3鋼試樣的電荷轉(zhuǎn)移電阻隨變形量的變化

表3 Nyquist曲線的擬合結(jié)果

3 結(jié)論

3.1A3鋼的自腐蝕電位隨著拉伸變形量的增加發(fā)生了負(fù)移，并且其自腐蝕電流密度值也隨變形量的增加而變大，說(shuō)明拉伸變形會(huì)降低A3鋼的抗腐蝕性能，并且隨著變形量的增加，其腐蝕速率也會(huì)相應(yīng)的加快。

3.2在拉伸變形初期，A3鋼的電化學(xué)阻抗值下降的尤為明顯，并且隨著變形量的增加，試樣發(fā)生腐蝕的程度也越來(lái)越嚴(yán)重。

[1] 許淳淳，張新生，胡剛.塑性變形對(duì)AISI304不銹鋼組織性能及其耐腐蝕性的影響[J].化工學(xué)報(bào)，2003，54(6)：790～795.

[2] 高小山，蔡克霞，包小俊.不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破裂及其防護(hù)[J].化工裝備技術(shù)，2002，23(1)：50～53.

[3] 羅純東.奧氏體不銹鋼爐體應(yīng)力腐蝕破裂失效分析[J].石油化工設(shè)備，2007，36(1)：99～100.

[4] 莫偉.化工廠奧氏體不銹鋼氫氣管道斷裂失效分析[J].江蘇化工，2008，36(1)：48～52.

[5] 曹福想，張啟禮.奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋失效分析及對(duì)策[J].南方金屬，2008，15(3)：9～12.

[6] 張亦良，徐金泉，王羽辭.石化特種設(shè)備中的硫化氫應(yīng)力腐蝕與殘余應(yīng)力[J].中國(guó)工程科學(xué)，2009，11(8)： 38～42.

[7] 鄭利云，曹發(fā)和，劉文娟，等.Q235鋼在模擬自然環(huán)境下失效行為的電化學(xué)研究[J].裝備環(huán)境工程，2011，8(4)：8～15.

[8] 曹楚南.腐蝕電化學(xué)原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[9] 張勝寒，檀玉，梁可心.電化學(xué)阻抗法對(duì)304不銹鋼孔蝕生長(zhǎng)和再鈍化階段的復(fù)位研究[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2011，31(2)：130～134.

[10] 秦麗雁，宋詩(shī)哲，盧玉琢.304不銹鋼晶間腐蝕過(guò)程中的電化學(xué)阻抗譜特征[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2007，27(2)：74～78.

[11] 鄭勇，譚澄宇，賀甜，等.乙烯基硅烷處理的Q235鋼在3.5%NaCl中腐蝕性的阻抗譜分析[J].材料防護(hù)，2012，45(6)：46～50.

[12] 郭大偉，袁訓(xùn)華，顧寶珊，等.拉伸變形量對(duì)熱鍍鋅合金化鋼板耐腐蝕性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2013，34(8)：153～157.

[13] 薛倩，鄭茂盛，韓立虎.成膜電位對(duì)石油套管P110鋼鈍化膜電化學(xué)性能的影響[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2013，25(2)：152～155.

EffectsofDeformationonElectrochemicalPerformanceofA3Steel

SHUAI Minga, ZHENG Mao-shengb
(a.SchoolofPhysics; b.SchoolofChemicalEngineering,NorthwestUniversity,Xi’an710069,China)

Simple tension test of A3 steel on the tensile machine was implemented; through adopting force control and displacement control, the test specimen boasting of 0.07%, 6.00%, 11.00% and 24.00% distortion were attained respectively. Having potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy employed to test A3 steel’s corrosion resistance in 0.01mol/L NaCl solution, the results show that the A3 steel’s self-corrosion potential can shift negatively with the increase of tensile deformation, and its corrosion current density becomes greater with this increase; the deformation can reduce corrosion resistance of steel A3 obviously and accelerate corrosion rate correspondingly; and in the initial stage of deformation, the electrochemical impedance spectroscopy of steel A3 decreases clearly and the corrosion degree gets more and more serious with the increase of tensile deformation.

A3 steel, deformation, potentiodynamic polarization, electrochemical impedance

* 帥 銘，男，1986年11月生，碩士研究生。陜西省西安市，710069。

TQ050.9

A

0254-6094(2016)02-0162-04

2015-03-10，

2016-03-11)

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